路面降噪技術(shù)的發(fā)展沿革及創(chuàng)新

朱妍妍，徐民

（北京市科學(xué)技術(shù)研究院城市安全與環(huán)境科學(xué)研究所，北京 100052）

1 現(xiàn)代路面降噪技術(shù)及其分類

1870 年，比利時化學(xué)家Edmund J.DeSmed 在美國新澤西州鋪設(shè)了第一條瀝青路面；1911 年，Philip Strauss 發(fā)明了現(xiàn)代意義上的汽車輪胎。自此，基于充氣橡膠輪胎和瀝青路面間的各類現(xiàn)代路面降噪技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

充氣橡膠輪胎/路面噪聲的來源有以下幾方面：

（1）輪胎/路面沖擊效應(yīng)噪聲：輪胎在滾動過程中，輪胎表面的凸起花紋與路面凸起的石料顆粒產(chǎn)生碰撞和沖擊所形成的噪聲。

（2）輪胎/路面泵吸效應(yīng)噪聲：具有黏彈特性的橡膠輪胎觸地時，輪胎花紋與路面所形成的溝槽腔內(nèi)空氣急劇收縮、排出時產(chǎn)生的泵吸效應(yīng)噪聲。

（3）氣柱共鳴噪聲：車輛行駛期間，車輛輪胎溝槽與路面間形成多個管道，各管道隨長度和端口開放情況的不同存在著不同的固有頻率，當(dāng)部分管道的固有頻率一致時會形成諧振，導(dǎo)致輪胎/路面噪聲出現(xiàn)峰值，此類噪聲即為輪胎/路面氣柱的共鳴噪聲。

針對上述輪胎/路面噪聲產(chǎn)生機(jī)理，目前國內(nèi)外已應(yīng)用的路面降噪技術(shù)主要分為以下四大類：

（1）多孔吸聲降噪：多孔隙瀝青路面（OGFC）、雙層多孔隙瀝青路面（DPAC）。

（2）表面紋理降噪：小粒徑薄層路面、深度紋理型瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）路面。

（3）黏彈性原理降噪：橡膠瀝青路面、多孔彈性路面（PERS）。

（4）附加結(jié)構(gòu)降噪：共振腔體、諧振器附加降噪結(jié)構(gòu)；振動降低型整體降噪結(jié)構(gòu)。

2 現(xiàn)代路面降噪技術(shù)

2.1 多孔隙路面降噪技術(shù)

2.1.1 多孔吸聲降噪技術(shù)原理

通過增加路面材料的空隙率，能夠使路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部形成連通的多孔結(jié)構(gòu)，對氣體流動形成阻尼效應(yīng)，并在其中消耗吸收噪聲能量，從而降低路面噪聲。多孔降噪結(jié)構(gòu)技術(shù)原理見圖1。

圖1 多孔降噪結(jié)構(gòu)技術(shù)原理圖

2.1.2 多孔隙路面降噪技術(shù)的發(fā)展

20 世紀(jì)50 年代，英國運(yùn)輸研究實(shí)驗室開展了多孔隙路面技術(shù)研究，其最初的研究目的是減少大雨條件下車輛高速行駛時水霧噴濺現(xiàn)象，然而使用結(jié)果表明此類結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的降噪性能，后來逐步演變?yōu)閷ｉT用于道路降噪的多孔隙路面結(jié)構(gòu)。

荷蘭是應(yīng)用多孔隙降噪路面最多的歐洲國家，有60%以上的公路網(wǎng)采用多孔隙路面。日本是應(yīng)用多孔隙降噪路面最多的亞洲國家，多孔隙路面是其高速公路和城市主干道的標(biāo)準(zhǔn)路面結(jié)構(gòu)。經(jīng)國內(nèi)外測試表明，相比常規(guī)路面，當(dāng)車速為50km/h 時噪聲降低1.5dB(A)、車速為60km/h 時噪聲降低3.5dB(A)、車速為80km/h 時噪聲降低6.0dB(A)[1]。

早期的多孔隙路面降噪技術(shù)的主要缺陷是隨著路面使用時間的延長，孔隙逐漸被塵土堵塞，其降噪特性會逐步降低直至消失，因此近年來基于多孔隙的降噪結(jié)構(gòu)迭代發(fā)展為雙層多孔隙結(jié)構(gòu)。

2.1.3 雙層多孔隙路面

目前最新的多孔隙降噪技術(shù)是雙層多孔結(jié)構(gòu)，即鋪筑兩層多孔路面形成降噪路面結(jié)構(gòu)層（見圖2）。其中上層結(jié)構(gòu)通過采用小粒徑集料，在保持高孔隙率的基礎(chǔ)上使孔隙更為微小，形成“篩子效應(yīng)”，降低塵土對孔隙的堵塞，同時雙層多孔結(jié)構(gòu)的厚度增加也有助于提高降噪效果。20 世紀(jì)90 年代，荷蘭、日本、法國等國家先后鋪設(shè)了雙層多空隙降噪路面，測試表明此類降噪路面的降噪效果可達(dá)8—9dB(A)。

圖2 雙層多孔隙降噪結(jié)構(gòu)圖

2.2 表面紋理降噪

2.2.1 表面紋理降噪技術(shù)原理

表面紋理降噪技術(shù)可以細(xì)分為兩類。第一類是通過調(diào)整路面集料粒徑大小、分布比例，使輪胎觸地面積內(nèi)的表面紋理密度增大，使輪胎/路面噪聲聲波形成漫反射及相互干涉，進(jìn)而降低噪聲；第二類是增加路面的深度紋理，為輪胎路面間接觸區(qū)的空氣運(yùn)動提供自由通道，有效降低由泵吸效應(yīng)產(chǎn)生的路面噪聲。兩類細(xì)分技術(shù)的代表分別為小粒徑薄層技術(shù)及深度紋理型路面技術(shù)。表面紋理降噪技術(shù)原理見圖3。

圖3 表面紋理降噪技術(shù)原理圖

2.2.2 小粒徑薄層路面

薄層鋪裝路面的設(shè)計初衷是通過降低路面結(jié)構(gòu)厚度來提高工程經(jīng)濟(jì)效益，此類技術(shù)最初產(chǎn)生于20 世紀(jì)60 年代的德國。到20 世紀(jì)80 年代，法國發(fā)展了小粒徑的非常薄瀝青混凝土（BBTM）和超薄瀝青混凝土（BBUM），在使用中發(fā)現(xiàn)此類路面具有表觀均勻、致密的紋理特征，可以有效降低輪胎路面間的高頻噪聲，因此在歐洲各國得到了推廣應(yīng)用，逐步成為目前主流的降噪路面結(jié)構(gòu)形式之一。此類技術(shù)在2000 年進(jìn)入我國，近年來在廣州、上海、北京等地的城市高架路、高速公路城市段均有應(yīng)用。測試結(jié)果表明相比于常規(guī)路面，在此類降噪路面上行駛的機(jī)動車車內(nèi)噪聲可降低3—4dB、車外噪聲可降低5—6dB，而且此類降噪技術(shù)不受塵土堵塞影響，具有可持續(xù)的降噪效果。

2.2.3 深度紋理型降噪路面

深度紋理型降噪路面（見圖4）是采用特殊施工機(jī)械攤鋪成型的新型降噪路面結(jié)構(gòu)，通過特殊機(jī)械在路面表層形成1—1.5cm 深、4cm 間距的溝槽，溝槽呈縱向與車輛行駛方向一致，在輪胎與路面間形成了良好的空氣流通通道，能夠減弱輪胎與路面間的泵吸效應(yīng)，從而降低路面噪聲。此類路面結(jié)構(gòu)由日本某公司于2011 年開發(fā)，近年來在日本得到了大量應(yīng)用。實(shí)測結(jié)果表明，相比于常規(guī)密實(shí)性路面，此類路面的降噪效果可達(dá)4dB[2]。

圖4 深度紋理型降噪路面

2.3 黏彈性降噪

2.3.1 黏彈性降噪原理

黏彈性降噪是指通過化學(xué)手段改變路面膠結(jié)材料的黏彈特性，從而使路面材料具備適宜的阻尼特性來降低輪胎與路面間的沖擊振動，并將沖擊振動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳ⅲ瑥亩档驮肼?。此類技術(shù)的代表是橡膠瀝青路面和多孔彈性路面。

2.3.2 橡膠瀝青路面

早期的橡膠瀝青是為了滿足橡膠輪胎的廢舊再利用需求而出現(xiàn)的。1981 年，比利時布魯塞爾首次鋪筑了橡膠瀝青路面并證明了此類路面結(jié)構(gòu)的降噪效果。橡膠瀝青路面生產(chǎn)技術(shù)難度低，因此得到了較多的應(yīng)用，早期使用最多的國家是美國。我國于20 世紀(jì)90 年代引進(jìn)橡膠瀝青技術(shù)并開展了專題研究。多條試驗路的實(shí)測結(jié)果表明，橡膠瀝青路面可使道路行駛噪聲降低2—5dB。該技術(shù)的缺陷是施工期間會排放出大量的難聞氣味，因此隨著人們環(huán)保意識的增強(qiáng)，此類技術(shù)的使用逐漸受到限制。

2.3.3 PERS

PERS 是最新的降噪研究方向（見圖5）。此類路面采用具有高黏彈性的聚氨酯類聚合物作為膠黏劑，并添加20%以上的軟質(zhì)橡膠顆粒，使路面結(jié)構(gòu)整體具有更好的阻尼效應(yīng)。此類路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計空隙率大于20%，因此兼具多孔吸聲及黏彈性降噪特性。各類測試結(jié)果表明，這種新型的路面降噪技術(shù)可以使輪胎／路面噪聲降低10—15dB(A)，是目前效果最好的路面降噪技術(shù)。

圖5 多孔彈性路面結(jié)構(gòu)圖

多孔彈性路面技術(shù)在20 世紀(jì)70 年代由瑞典某公司提出并進(jìn)行了小規(guī)模室外試驗路測試。該技術(shù)雖然具備優(yōu)異的降噪性能，但由于采用了新型高黏彈性聚合物替代了傳統(tǒng)的瀝青膠結(jié)料，因此其實(shí)際使用中的耐候性、耐久性、力學(xué)性能及施工工藝均需開展專題研究。

2.4 附加結(jié)構(gòu)降噪

2.4.1 附加結(jié)構(gòu)降噪技術(shù)原理

附加結(jié)構(gòu)降噪是通過在常規(guī)路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)增設(shè)具有降噪或減振效果的附加結(jié)構(gòu)層，從而達(dá)到降低輪胎/路面噪聲的目的。按照附加結(jié)構(gòu)的降噪原理不同，可分為基于共振器的附加降噪結(jié)構(gòu)及基于降低振動的整體降噪結(jié)構(gòu)兩種。

2.4.2 基于共振器的附加降噪結(jié)構(gòu)

該技術(shù)由意大利某道路技術(shù)公司開發(fā)，主要完成了兩種附加降噪結(jié)構(gòu)層的試驗路測試。第一種類型的附加結(jié)構(gòu)層通過在水泥混凝土內(nèi)放置特制模具，澆筑成型為類似亥姆霍茲共振器的空腔結(jié)構(gòu)，使其均勻分布于水泥混凝土板體內(nèi)，并將此類結(jié)構(gòu)鋪設(shè)于路面層底部，隨后在其上鋪設(shè)多孔路面材料，以使輪胎/路面噪聲能夠透過鋪裝層進(jìn)入降噪功能層。第二種類型為采用鋼制模板形成寬度、高度按一定規(guī)律變化的空腔結(jié)構(gòu)，將其鋪設(shè)于路面底層，形成槽型消聲器結(jié)構(gòu)，隨后在其上鋪筑多孔路面材料。測試結(jié)果表明此類技術(shù)對于低速行駛的車輛噪聲有較好的降噪效果，輕型車輛在路上的行駛噪聲可降低6—7dB。亥姆霍茲共振器、槽型消聲附加路面結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 亥姆霍茲共振器、槽型消聲附加路面結(jié)構(gòu)圖

2.4.3 基于降低振動的整體降噪結(jié)構(gòu)

為了降低特殊路段的輪胎/路面噪聲，日本開發(fā)了降低振動的整體式路面結(jié)構(gòu)（見圖7）。此類路面結(jié)構(gòu)是先在路基上鋪設(shè)水泥混凝土整體板，并在路基和水泥混凝土整體板之間放置隔振橡膠墊，隨后將常規(guī)瀝青路面結(jié)構(gòu)層鋪設(shè)于整體水泥板上。該技術(shù)的降噪原理為：用阻尼橡膠墊降低因車輛荷載沖擊作用而產(chǎn)生的垂直振幅，減弱并抑制整體路面結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的振動沖擊，從而降低路面結(jié)構(gòu)的整體噪聲。日本道路研究所于2003 年鋪設(shè)了40m 的小型試驗路，并采用重載車輛進(jìn)行了實(shí)際道路測試，測試結(jié)果表明此類整體式路面結(jié)構(gòu)可使車輛行駛噪聲降低4.2—8.7dB[3]。

圖7 降低振動式降噪路面圖

3 結(jié)語

目前國內(nèi)外在路面降噪技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)開展了長期、廣泛的研究，其中部分研究已經(jīng)進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，并取得了較好的降噪效果。但由于目前路面降噪技術(shù)普遍存在造價昂貴，路面結(jié)構(gòu)的降噪性能與力學(xué)性能、耐久性能存在沖突等缺點(diǎn)，從而限制了路面降噪技術(shù)的應(yīng)用。因此，在今后的研究中還應(yīng)探索造價更經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)更耐久、降噪效果更好的路面降噪技術(shù)。